Микропроцессорный быстродействующий АВР как средство повышения надежности электроснабжения ответственных потребителей

Авторы: А.О. Павлов, Д.В. Медведев (ООО «НПП Бреслер»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №10/2016

Применяемые в настоящее время схемы электроснабжения промышленных узлов нагрузки от двух независимых источников с использованием средств автоматики (АПВ, АВР) обладают достаточно высокой степенью надежности. Однако применение АВР двустороннего действия в традиционном исполнении на секционном выключателе 6; 10; 35 кВ ЗРУ, РП позволяет получить минимальное время работы средств автоматики – 0,4…0,5 с [1–3], а перерыв в электроснабжении после его кратковременного нарушения для потребителей составляет более 1 с.

Существующие схемы и устройства АВР не обеспечивают бесперебойное электроснабжение синхронных и асинхронных двигателей ответственных механизмов подстанций при кратковременных нарушениях электроснабжения в энергосистеме [4], приводят к значительному экономическому ущербу при нарушении непрерывности технологических процессов, могут являться причинами возникновения гидравлических ударов, повреждения трубопроводов и оборудования насосных станций при переключении на резервный источник за время более 90…120 мс [5]. Главным препятствием существующих устройств АВР является относительно большое время срабатывания и время включения существующих секционных выключателей, органов АВР, отсутствие алгоритмов работы АВР для подстанций с несколькими вводами и при наличии трех секций распределительных устройств.

Микропроцессорный быстродействующий АВР (БАВР) предназначен для следующих целей:

• повышение остаточных напряжений на шинах ТП 6(10)/0,4 кВ и уменьшение отключений магнитных пускателей, контакторов в цепи питания низковольтных электродвигателей при провалах напряжения;
• обеспечение непрерывности технологических процессов (надежности электроснабжения потребителей и устойчивости высоковольтной электродвигательной нагрузки) при кратковременных нарушениях электроснабжения, попадающих в зону действия АВР;
• улучшения условий самозапуска электродвигателей после восстановления электроснабжения потребителей.

Новизна разработанного устройства [6] проявляется в следующем:

• БАВР основан на цифровых системах обработки значений входных параметров и в связи с этим дает дополнительные возможности при эксплуатации и функционировании устройства;
• БАВР легко (на программном уровне) адаптируется к конкретным схемам распределительного устройства и видам нарушения электроснабжения;
• сокращается время переключения на резервный источник при трехфазном КЗ в цепи питания секции распределительного устройства до 44 мс.

Для эффективной работы БАВР электроснабжение потребителей необходимо осуществлять от двух независимых источников И1 и И2. Основной зоной защиты БАВР является участок электроснабжения от головного выключателя ГВ1 (ГВ2) до выключателя на вводе ВВ1 (ВВ2), рис. 1. Если РУ является распределительным устройством ГПП, то головные выключатели (ГВ) располагаются на стороне напряжения 35–110–220 кВ, а вводные (ВВ) – на стороне напряжения 6(10) кВ. Если РУ является распределительным устройством второй ступени, то и ГВ и ВВ располагаются на стороне напряжения 6(10) кВ.

При трехфазном КЗ в цепи питания (точка К1, мощность Р1 изменит направление, напряжение U1 < Uуст (Uуст ≈ 0,75Ui), и пусковой орган выдает сигнал на отключение выключателя ВВ1. Полный цикл срабатывания БАВР при этом t ≤ 0,06 с. При отключении головного выключателя ГВ1 мощность Р1 изменит направление и при δ12 > δ (δ ≈ 15°) пусковой орган выдаст сигнал на отключение выключателя ВВ1(здесь δ12 – угол между напряжениями прямой последовательности на первой U1 и второй U2 секциях). Полный цикл срабатывания БАВР при этом t ≤ 0,11 с.

При любом виде внешнего КЗ в цепи напряжения 6(10) кВ (точки К3, К4) БАВР не работает, поскольку не изменяется направление мощности Р1.

Для управления включением и отключением выключателей БАВР использованы IGBT-транзисторы.

Дополнительной зоной защиты БАВР являются кратковременные нарушения электроснабжения, вызванные близкими трехфазными КЗ в соседних присоединениях к источнику электроснабжения (точка К2) либо в цепи питания выше головного включателя (точка К5). При таких КЗ изменяется направление мощности Р1 и время цикла БАВР t ≤ 0,06 с. БАВР включает: а) быстродействующие вакуумные выключатели типа VM-1T, VD-4, Evolis, ВВЭМ, ВБЧЭ, ВБМ и др.; б) микропроцессорное быстродействующее пусковое устройство АВР (МБПУ АВР), размещаемое в шкафах КРУ серий К-104м, К-113, КРУ2-10 и т.п., в шкафах КСО и других типах ячеек РУ 6(10) кВ. БАВР может включать индукционно-динамические устройства ускорения коммутациями выключателей, если не обеспечивается требуемое время переключения на резервный источник. МБПУ АВР представляет собой многоэлементное устройство релейной защиты и противоаварийной автоматики и обеспечивает двухстороннее действие на отключение выключателей двух вводов и на включение секционного выключателя резервного питания. Логика ПУ АВР обеспечивает адаптируемое АВР: в зависимости от вида аварии обеспечивается опережающее АВР (при потерях питания, вызванных неоперативными отключениями питающих фидеров), одновременное АВР или АВР с контролем от блок-контактов отключаемого вводного выключателя (при потерях питания, вызванных КЗ в питающей линии).

Микропроцессорное пусковое устройство БАВР измеряет в текущем режиме времени фазные напряжения на шинах двух вводов распределительного устройства (РУ) и фазные токи на вводах РУ и преобразует их в комплексные действующие значения напряжений U1 (U2) и токов I1 (I2) прямой последовательности. Дальнейшая работа пускового органа БАВР осуществляется за счет программной обработки результатов измерений.

Блокирующим сигналом для работы БАВР является направление (не величина) мощности прямой последовательности. Если мощности P1 = U1I1cosϕ2 (или P1 = = U2I2cosϕ2) направлены от источника в нагрузку, то БАВР не работает, что бы не происходило в системе электроснабжения.

Если мощность P1 (или P2) меняет направление (от нагрузки к источнику), а напряжение на вводе U1 < Uуст (или U2 < Uуст), то пусковое устройство подает сигнал на отключение выключателя первого (второго) ввода, и от блок-контактов последнего подает сигнал на включение секционного выключателя. Если мощность P1 (или P2) меняет направление (от нагрузки к источнику), а угол δ12 (δ21) между векторами напряжений прямой последовательности на первой U1 (второй U2) и второй U2 (первой U1) удовлетворяет условию δ12 > δуст (δ21 > δуст), то пусковое устройство подает сигнал на отключение первого (второго) вводного выключателя, и от блок-контактов последнего подается сигнал на включение секционного выключателя.

На рис. 2 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства быстродействующего АВР.

Устройство содержит основной 1 и резервный 2 источники питания, вводные выключатели рабочих вводов 3 и 4, секционный выключатель 5, шины подстанции 6 и 7, трехфазные трансформаторы тока 8, 9 и напряжения 10, 11, 12, 13; микропроцессорное пусковое устройство АВР 14, блок контакты вводных 15, 16 и секционного выключателей 17, блокирующие сигналы релейной защиты (блоки 18, 19) на управляемые выключатели, управляемые ключи включения-отключения вводных и секционных выключателей 20, 21, 22, устройство индикации 23.

Программно реализованный блок аналогово-цифровых преобразователей 24 (25) соединен с блоком преобразований аналоговых сигналов 26 (27) в дискретные действующие значения токов и напряжений. Дополнительно с блока дискретных сигналов и констант 28 поступают входные сигналы реле положения «включено» и «отключено» выключателей 3 и 4, автоматов цепей измерения напряжения на секциях 6 и 7, релейных защит на вводах и секционном выключателе и сигнал сброса в блок управления 41 устройства 14. Выходы блока 26 (27) соединены с входами блока минимального тока 29 (30), активной мощности прямой последовательности 31 (32), блока минимального напряжения 33 (34) и угла сдвига фаз 35 (36) между источниками питания 1 и 2. Выходы блоков 29, 31, 33, 35 (30, 32, 34, 36) соединены через логические блоки «ИЛИ» (37 и 38) и «И» (39, 40) с устройством управления 41. В блок управления поступают дискретные сигналов и констант с блока 28, а результаты обработки сигналов и работы устройства отображаются с помощью блока индикации 23.

Программно реализованный блок аналогово-цифровых преобразователей 24 (25) соединен с блоком преобразований аналоговых сигналов 26 (27) в дискретные действующие значения токов и напряжений. Дополнительно с блока дискретных сигналов и констант 28 поступают входные сигналы реле положения «включено» и «отключено» выключателей 3 и 4, автоматов цепей измерения напряжения на секциях 6 и 7, релейных защит на вводах и секционном выключателе и сигнал сброса в блок управления 41 устройства 14. Выходы блока 26 (27) соединены с входами блока минимального тока 29 (30), активной мощности прямой последовательности 31 (32), блока минимального напряжения 33 (34) и угла сдвига фаз 35 (36) между источниками питания 1 и 2.

Выходы блоков 29, 31, 33, 35 (30, 32, 34, 36) соединены через логические блоки «ИЛИ» (37 и 38) и «И» (39, 40) с устройством управления 41. В блок управления поступают дискретных сигналов и констант с блока 28, а результаты обработки сигналов и работы устройства отображаются с помощью блока индикации 23.

Программное обеспечение микропроцессорного пускового устройства позволяет управлять работой быстродействующего АВР в соответствии с заложенным алгоритмом.

Для режимов с малыми токами на вводе на уровне помех, когда работа блока направления активной мощности не предсказуема, предусмотрена уставка минимального тока. Если I1-2 (I2-1) меньше Iуст, то работа быстродействующего АВР разблокируется так же, как при изменении направления мощности прямой последовательности.

Вводные 3, 4 и секционный выключатели 5 распределительного устройства снабжены IGBT-транзистором включения–отключения 20, 21, 22 и могут быть дополнены индукционно динамическим устройством ускорения, позволяющим сократить собственное время включения и отключения выключателей более чем в 2 раза.

Индукционно динамическое устройство ускорения на базе конденсаторной батареи, располагающейся в ячейках выключателей быстродействующего АВР, запасает энергию в нормальном режиме работы подстанции и с помощью устройства управления 41 по команде быстродействующего АВР переключается на катушку отключения (включения) выключателей, подавая повышенное напряжение на эти катушки. За счет индукционно динамического устройства ускорения собственное время включения и отключения выключателя сокращается в 2 раза.

При наличии сигнала о напряжении, снимаемом до выключателя ввода с помощью блоков 12 и 13 (см. рис. 2), устройство позволяет обеспечить автоматическое восстановление схемы нормального режима после возобновления электроснабжения от основного источника.

Быстродействующий АВР с микропроцессорным блоком пускового устройства отличается от обычного АВР тем, что сокращается время цикла АВР, все двигатели потерявшей питание секции остаются в работе, синхронные двигатели не теряют синхронизма, токи включения двигателей, питающихся от поврежденного ввода, при срабатывании быстродействующего АВР не превышают 2…2,5Iном в отличие от АВР, когда они составляют 5…7Iном.

Предлагаемое устройство контролирует напряжение до вводных выключателей, программным способом обеспечивает ввод всех уставок и накладки устройства, обеспечивает возможность синфазного включения при наличии синхронной двигательной нагрузки на секциях распределительного устройства. Логика работы устройства обеспечивает адаптацию быстродействующего АВР, когда при исчезновении питания разрешается опережающее АВР, а при возникновении короткого замыкания в питающей линии – одновременное АВР или быстродействующее АВР с контролем от блок-контактов отключившегося вводного выключателя. Логика работы устройства исключает возможность включения резервного источника на не отключенное КЗ и обеспечивает высокое быстродействие устройства при исчезновении питания. БАВР отличается следующим:

• возможностью записи и отображения переходных процессов при любом срабатывании быстродействующего АВР, что позволяет выявить любые нарушений электроснабжения;
• отсутствием изменения параметров уставок блоков реле пускового устройства и обеспечением их сохранения в энергонезависимой памяти при снятии напряжения оперативного питания;
• обеспечением автоматического восстановления схемы нормального режима после появления напряжения на поврежденном вводе;
• контакты выходных реле устройства не замыкаются ложно при подаче и снятии напряжения оперативного постоянного тока с перерывом любой длительности.

Список литературы

1. Гамазин С.И., Долмацин М.И., Пупин В.М., Хомутов А.П. Совершенствование надежности работы схем подстанций нефтепроводов при коротких замыканиях. М.: ВНИИОЭНГ, 1987. 42 с.
2. Гамазин С.И., Понаровкин Д.Б., Цырук С.А. Переходные процессы в электродвигательной нагрузке систем промышленного электроснабжения. М.: Издательство МЭИ, 1991. 352 с.
3. Слизский Э.П., Шкута А.Ф., Бруев И.В. Самозапуск электро-приводных компрессорных станций магистральных газопроводов. М.: Недра, 1991. 187 с.
4. Гамазин С.И., Тиджиев М.О., Васильев Е.И. Целесообразные режимы работы вводов на различных уровнях системы электроснабжения//Промышленная энергетика. №3. 2004. С.–24.
5. Свиридов Ю.П. Повышение надежности и экономичности работы электропотребителей водоснабжения и канализации путем совершенствования релейной защиты и автоматики. Дис. … канд. техн. наук. Ульяновск, 2001. 251 с.
6. Патент на полезную модель RU №63991 от 05.02.2007 г. Устройство автоматического включения резервного электропитания потребителей.